Desenvolvimento de uma pistola de emissão de campo baseada em nanofios de hexaboreto de lantânio de alta resolução

Imagem SEM da fonte de elétrons baseada em nanofios LaB6. Uma imagem de resolução atômica de grafeno de camada única obtida por um TEM equipado com essa fonte de elétrons é mostrada na imagem em caixa no canto superior direito. Crédito:Koji KimotoNational Institute for Materials Science

O Instituto Nacional de Ciência dos Materiais (NIMS) e a JEOL, Ltd. desenvolveram um hexaboreto de lantânio (LaB₆ ) pistola de emissão de campo baseada em nanofios que é instalável em um microscópio eletrônico de transmissão (TEM) com correção de aberração. Esta unidade combinada é capaz de realizar observação de resolução atômica em uma resolução de energia de 0,2 eV - a resolução mais alta já registrada para canhões de elétrons não monocromáticos - com uma alta estabilidade de corrente de 0,4%.
Esforços sem sucesso foram feitos por mais de 20 anos para desenvolver armas de emissão de campo usando nano materiais teoricamente de alto desempenho. Foi considerado um desafio integrar um canhão de emissão de campo baseado em nanofios em um microscópio eletrônico sem prejudicar suas propriedades físicas, como vida útil e estabilidade. Por esta razão, as pistolas de emissão de campo disponíveis comercialmente ainda estão equipadas com agulhas de tungstênio desenvolvidas há mais de meio século.

Esta equipe de pesquisa do NIMS-JEOL (1) desenvolveu técnicas para sintetizar quimicamente e cultivar nanofios de cristal único de alta pureza de LaB₆ , conhecido por ser um excelente material de cátodo quente emissor de elétrons, (2) projetou um mecanismo de fonte de elétrons capaz de emitir elétrons de forma eficiente e (3) desenvolveu técnicas para extrair um único nanofio e integrá-lo em uma estrutura de fonte de elétrons otimizada.

O Laboratório₆ A fonte de elétrons baseada em nanofios tem várias vantagens:requisitos de condição de vácuo relativamente moderados, estabilidade de corrente muito alta, baixa tensão de extração, largura de distribuição de energia do feixe de elétrons estreito e alto brilho. Essa fonte de elétrons pode ser aplicável ao desenvolvimento de microscópios eletrônicos de emissão de campo de próxima geração com maior resolução espacial e energética – ferramentas potencialmente valiosas nas áreas médica e de semicondutores.

A pesquisa foi publicada em Nature Nanotechnology .

Comparação das distribuições de energia do feixe de elétrons da fonte de elétrons baseada em nanofios LaB6 (azul), a fonte de elétrons de emissão de campo de tungstênio convencional (vermelho) e a fonte de elétrons Schottky convencional (cinza). Crédito:Koji KimotoNational Institute for Materials Science
Comparação das razões de ruído da fonte de elétrons baseada em nanofios LaB6 (azul) e a fonte de elétrons de emissão de campo de tungstênio convencional (vermelho). Crédito:Koji KimotoNational Institute for Materials Science